Table of Contents

Введение: растущая потребность в гибкой силе в носимых устройствах

Носимые технологии вышли далеко за рамки простых фитнес-трекеров. Сегодня умные часы контролируют сердечные ритмы, медицинские пластыри доставляют лекарства, а умная одежда отслеживает осанку и мышечную активность. По мере того, как эти устройства становятся более интегрированными в повседневную жизнь, спрос на источники питания, которые могут изгибаться, скручиваться и растягиваться без потери производительности, усилился. Традиционные жесткие батареи плохо подходят для приложений, близких к коже или встроенных в текстиль, где комфорт, безопасность и долговечность имеют первостепенное значение. Недавние прорывы в гибких и растягиваемых источниках питания - от тонкопленочных батарей до энергосберегающих тканей - решают эти ограничения и открывают новые возможности для действительно носимой электроники.

Ключевым требованием для любого носимого источника питания является способность выдерживать повторную механическую деформацию при сохранении стабильного выхода. Устройства могут быть сложены, смяты, растянуты более чем на 50% от их первоначальной длины или подвержены тысячам циклов изгиба. Исследователи сталкиваются с этими проблемами с новыми материалами, умными архитектурами и масштабируемыми производственными процессами. В этой статье рассматриваются основные типы гибких и растягиваемых источников питания, материалы, приводящие к инновациям, методы изготовления, реальные приложения, текущие проблемы и будущие направления.

Типы гибких и растяжимых источников энергии

Гибкие и растягиваемые источники энергии делятся на три широкие категории: батареи, суперконденсаторы и энергосборщики. Каждый тип имеет свои преимущества и подходит для различных носимых сценариев.

Гибкие батареи

Гибкие батареи предназначены для хранения энергии при соответствии изогнутым или движущимся поверхностям. Наиболее распространенный подход использует литий-ионную химию с гибкой упаковкой и электродами. Например, литий-полимерные батареи используют гелевый электролит, который может изгибаться без растрескивания. твердотельные гибкие батареи заменяют жидкие электролиты твердыми керамическими или полимерными электролитами, снижая риски утечки и повышая безопасность.

Тонкие пленочные батареи, часто изготавливаемые путем нанесения слоев электрода и электролита на гибкие подложки, такие как полиимид или ПЭТ, являются одними из самых тонких вариантов — толщиной менее одного миллиметра. Эти батареи могут быть интегрированы непосредственно в интеллектуальные патчи или полосы датчиков. Печатные батареи являются еще одним перспективным вариантом, использующим струйную или экранную печать для нанесения активных материалов на ткань или пластик. Такие компании, как Imprint Energy и Blue Spark Technologies , коммерциализировали печатные гибкие батареи для медицинских датчиков и RFID-меток.

Растягиваемые батареи требуют дополнительной инженерии для поддержания проводимости при напряжении. Стратегии включают серпантиновые межсоединения (перемежающие металлические линии, которые разворачиваются при растяжении), складные электроды, похожие на оригами, и использование жидких металлов , таких как эвтектические галлий-индий (EGaIn) в качестве токоприемников. Недавние исследования из Калифорнийского университета в Сан-Диего продемонстрировали растягивающуюся литий-ионную батарею, которая может растягиваться до 50% при питании умных часов в течение нескольких часов.

Растяжимые суперконденсаторы

Суперконденсаторы предлагают высокую плотность мощности и быстрые циклы заряда / разряда, что делает их идеальными для коротких вспышек энергии — например, питание беспроводной передачи данных от носимого датчика. Растягиваемые суперконденсаторы построены с использованием материалов на основе углерода (углеродные нанотрубки, графен, активированный уголь) в сочетании с эластичными полимерами. Электроды часто покрываются на растягиваемые подложки, такие как PDMS (полидиметилсилоксан) или Ecoflex .

Один инновационный дизайн использует Пряжа CNT, скрученная в катушки, которые могут быть растянуты, как пружины. Другой подход использует MXenes — класс двумерных карбидов переходных металлов — которые обеспечивают чрезвычайно высокую емкость. Исследователи из Университета Дрекселя разработали суперконденсаторы на основе MXene, которые сохраняют 90% своей емкости после 10 000 циклов растяжения. Поскольку суперконденсаторы хранят заряд электростатически, а не химически, они, как правило, имеют более длительный срок службы, чем батареи, хотя их плотность энергии ниже — компромисс, который часто приводит к гибридным системам, сочетающим обе технологии.

Гибкие энергетические сборщики

Энергоуборочные комбайны преобразуют окружающую энергию (движение, тепло, свет) в электричество, потенциально устраняя необходимость в батареях в некоторых носимых устройствах.Три наиболее распространенных типа для гибких применений являются трибоэлектрические наногенераторы (TENG) , пьезоэлектрические генераторы и термоэлектрические генераторы (TEG) .

Трибоэлектрические наногенераторы полагаются на эффект контактной электрификации: когда два разных материала терпят друг друга, поверхностные заряды накапливаются и могут быть собраны в виде тока. Гибкие TENG могут быть изготовлены из силиконовой резины, PTFE и проводящей ткани и могут быть интегрированы в стельки обуви, рукава или даже внутри куртки. Хорошо спроектированный TENG может генерировать милливатты от нормального ходового движения, достаточного для питания датчика температуры или светодиода.

Пьезоэлектрические материалы, такие как поливинилиденфторид (PVDF) или нанопровода из оксида цинка, генерируют напряжение при механической деформации. Гибкие пьезоэлектрические пленки используются в энергосберегающих тканях, которые преобразуют движение тела в электричество. Исследователи из Georgia Tech сплели пьезоэлектрические волокна в рубашку, которая может питать небольшой ЖК-экран.

Гибкие термоэлектрические генераторы используют эффект Зеебека для преобразования разностей температур (например, между кожей и окружающим воздухом) в напряжение. Недавние достижения в органических термоэлектрических материалах , таких как PEDOT:PSS и пленки из углеродных нанотрубок, произвели сгибаемые TEG, которые могут быть применены непосредственно к коже — хотя выход в настоящее время ограничен уровнями микроватт, подходящими только для устройств с ультранизкой мощностью.

Материалы и технологии, ведущие к инновациям

Производительность гибких источников энергии в конечном итоге определяется используемыми материалами. Ключевые категории материалов включают проводящие полимеры, жидкие металлы, наноматериалы и растягиваемые подложки - каждый из которых предлагает конкретные преимущества.

Проводящие полимеры

Полимеры, такие как PEDOT:PSS (поли(3,4-этилендиокситиофен): полистиролсульфонат) сочетают высокую электропроводность с механической гибкостью. Они могут быть обработаны в виде чернил или пленок и в настоящее время распространены в гибких суперконденсаторах и электродах аккумуляторов. Добавляя добавки или растворители, проводимость PEDOT:PSS может быть настроена на более чем 4000 S/см — близко к металлам, но с гораздо большей стойкостью к деформации. Другой проводящий полимер, полианилин (PANI), используется в тканевых суперконденсаторах и показывает хорошую стабильность при повторном изгибе.

Жидкие металлы

Эвтектический галлий-индий (EGaIn) представляет собой жидкий металл комнатной температуры с высокой электропроводностью и нулевой токсичностью (в отличие от ртути). Его можно вводить в микроканалы в эластичных полимерах для создания растягиваемых проводов и межсоединений. Жидкие металлы особенно ценны для растягиваемых батарей и суперконденсаторов, поскольку они остаются проводящими даже тогда, когда субстрат удлинен более чем на 100%. Однако остаются проблемы с обеспечением равномерного распределения и предотвращением утечки. Исследователи разрабатывают методы микрокапсуляции для безопасного содержания жидкого металла.

Наноматериалы: углеродные нанотрубки, графен и MXenes

Углеродные наноматериалы стали рабочими лошадками гибкого хранения энергии. Углеродные нанотрубки (CNTs) могут быть вкручены в пряжи или листы, которые действуют как электроды с высокой площадью поверхности и отличной проводимостью. Графен , углеродный лист толщиной в один атом, предлагает еще более высокую теоретическую площадь поверхности и используется как в батареях (как анодная добавка) так и в суперконденсаторах. MXenes — двумерные карбиды и нитриды — появились в качестве высокопроизводительных электродных материалов для суперконденсаторов, с объемной емкостью, превышающей 1000 F/cm 3 — среди самых высоких зарегистрированных. Их слоистая структура совместима с гибкими подложками, и они могут быть напечатаны или покрыты распылением.

Растущий объем исследований использует гибридные материалы: например, CNT-графеновые аэрогели в сочетании с проводящими полимерами производят электроды, которые остаются стабильными после тысяч циклов растяжения. Такие гибриды имеют решающее значение для достижения как высокой плотности энергии, так и механической прочности.

Растягиваемые субстраты и инкапсуланты

Основой любого гибкого устройства является подложка. PDMS (силиконовый эластомер) широко используется, поскольку он прозрачен, биосовместим и может растягиваться в несколько раз по своей первоначальной длине. Ecoflex ещё мягче и эластичнее, часто используется в электронике, устанавливаемой на кожу. Для текстильных интегрированных устройств проводящие волокна или пряжи могут быть вплетены непосредственно в ткани, создавая «электронные текстильные материалы», которые являются как растягиваемыми, так и стираемыми.

Инкапсуляция имеет решающее значение для защиты активных материалов от влаги, кислорода и механического напряжения. Парилен-C (полимерное покрытие) и полимид являются распространенными инкапсулятами, которые обеспечивают барьер, оставаясь тонкими и гибкими. Самоисцеляющие инкапсуланты, которые могут восстанавливать микротрещины после механических повреждений, являются активной областью исследований.

Техники изготовления для масштабируемого производства

Переход от лабораторных прототипов к коммерческим продуктам требует быстрых, недорогих и совместимых с существующим производством электроники методов.

Экран и струйная печать

Методы печати наносят активные материалы непосредственно на гибкие подложки с использованием проводящих чернил. Экранная печать используется для более толстых слоев и больших площадей — подходит для электродов батареи и пленок суперконденсаторов. Инкетная печать предлагает более высокое разрешение и позволяет создавать многослойные структуры. Обе технологии могут печатать на ткани, пластмассы и даже бумагу. Такие компании, как Прагматический полупроводник , печатают гибкие ИС для носимых датчиков, и аналогичные подходы распространяются на печатные батареи.

3D печать

Прямая чернильная запись (DIW) и моделирование термоядерного осаждения (FDM) могут создавать источники питания в форме на заказ со сложной геометрией. Например, литий-ионная батарея с 3D-печатью в форме повязки была продемонстрирована Университетом Мэриленда. Способность печатать проводящие и растягиваемые материалы одновременно быстро продвигается, хотя пропускная способность остается проблемой.

Лазерный графен (LIG)

Особенно многообещающий метод использует лазер CO2 для преобразования полиимидных листов в пористый графен. Полученный лазерный графен является высокопроводящим, механически прочным и может быть узорчатым непосредственно. LIG образует электродный материал для гибких суперконденсаторов и даже литий-ионных батарей. Он может быть передан на растягиваемые подложки, такие как PDMS, без потери производительности, предлагая недорогой сухой процесс.

Трансферная печать и Roll-to-Roll

Передача печати предполагает выращивание активных материалов на жесткой подложке, затем их отслаивание и перенос на гибкую поверхность. Этот метод используется для высококачественных графеновых пленок и сетей CNT. Для крупносерийного производства обработка рулон-рулон (R2R)] строит устройства на непрерывных гибких паутинах, сродни газетной печати. R2R уже используется для изготовления гибких дисплеев и принимается для тонкопленочных батарей и суперконденсаторов.

Реальные приложения и тематические исследования

Гибкие источники энергии перешли от концепции к прототипу в нескольких областях применения.

Медицинские носимые датчики

Непрерывные глюкозомониторы (CGM) для лечения диабета в настоящее время используют гибкие батареи, которые соответствуют коже. Датчик FreeStyle Libre (Abbott) питается от тонкой ячейки монеты, но версии следующего поколения направлены на интеграцию печатных растягиваемых батарей для более длительного срока службы и более высокого комфорта. Аналогично, интеллектуальные патчи для мониторинга ЭКГ и ЭЭГ, такие как те, что из X-троды , полагаются на гибкие батареи, которые можно носить в течение нескольких дней.

E-Textiles и умная одежда

Такие компании, как Ральф Лорен и Google (Проект Жаккард) продемонстрировали куртки, которые могут управлять музыкой с помощью прикосновений — но они по-прежнему используют небольшие жесткие батареи, скрытые в карманах. Будущие электронные текстильные устройства будут вплетать растягиваемые суперконденсаторы и сборщики энергии непосредственно в ткань. Исследователи из Шанхайского университета создали TENG, сплетенный из хлопка с силиконовым покрытием, который питает светодиодный ремень от движения руки.

Имплантируемая и мягкая робототехника

Растягиваемые батареи имеют решающее значение для мягких роботов, которые имитируют биологические движения. Исследование 2023 года Токийским университетом интегрировало растягивающуюся литий-ионную батарею в рыбоподобного мягкого робота, позволяя ему плавать автономно в течение двух часов. Для медицинских имплантатов (например, кардиостимуляторов) гибкие батареи уменьшают повреждение тканей и позволяют конформную обертку органов. Исследователи из Техасского университета в Остине разработали биоразлагаемую, растягивающуюся батарею для временных имплантатов, которая растворяется после использования.

Проблемы и ограничения

Несмотря на быстрый прогресс, остаются некоторые препятствия, прежде чем гибкие источники питания станут повсеместными в носимых устройствах.

  1. Плотность энергии против компромисса гибкости: Гибкие и растягиваемые конструкции по своей сути жертвуют некоторым объемом активного материала, что приводит к снижению плотности энергии по сравнению с жесткими батареями. Текущие растягиваемые литий-ионные батареи достигают только 50-100 Втч / кг, менее половины обычного литий-иона. Необходимы новые высоковольтные катодные материалы и более тонкая упаковка.
  2. Стабильность при езде на велосипеде при механическом напряжении: Повторное изгибание и растяжение вызывает микротрещины в слоях электродов, увеличивая сопротивление и уменьшая емкость. Большинство лабораторных тестов сообщают о менее чем 500 циклах для растягиваемых батарей — далеко не коммерческая потребность (500+ циклов). Исследуются материалы для самовосстановления и улучшенная инкапсуляция.
  3. Безопасность и надежность: Гибкие батареи на основе лития по-прежнему содержат легковоспламеняющиеся электролиты. Растягиваемая упаковка должна предотвращать утечку и горение при проколе. Твердотельные электролиты обеспечивают повышенную безопасность, но в настоящее время имеют более низкую ионную проводимость.
  4. Интеграция и межсоединения: Подключение гибких источников питания к жестким чипам на одной подложке создает точки концентрации деформации. Гибридные подходы с использованием микрожестких островов, соединенных растягивающимися межсоединениями, являются одним решением, но увеличивают сложность.
  5. Масштабируемость и стоимость:] Многие современные материалы, такие как MXenes и высококачественные CNT, дороги в производстве. Методы изготовления, такие как лазерный графен, еще не совместимы с производством больших объемов R2R для устройств большой площади.

Будущие направления и новые исследования

Следующая волна инноваций будет направлена на решение вышеуказанных проблем и раздвинет границы того, что могут сделать носимые источники питания.

Самоисцеляющие материалы

Исследователи разрабатывают полимерные сети, которые могут повторно печататься после разреза или трещины. Например, самоисцеляющаяся литий-ионная батарея на основе электролита полиуретановой мочевины была зарегистрирована в Природа (2022): после разрезания она восстановила 92% своей первоначальной емкости в течение 10 минут. Такие материалы значительно улучшают срок службы растягиваемых источников питания.

Биоразлагаемая и биоинтегрированная энергия

Для временных медицинских имплантатов и экологической устойчивости разрабатываются биоразлагаемые батареи , изготовленные из целлюлозы, магния и цинка. Университет Иллинойса продемонстрировал батарею, которая может поглощаться организмом через 30 дней. Аналогично, биотопливные клетки , использующие глюкозу пота для выработки энергии, объединяются с гибкими электродами — хотя выход все еще ограничен микроваттами.

Гибридные системы и энергетический менеджмент

Наиболее практичные носимые системы питания будут сочетать батарею для стабильного питания с суперконденсатором для разрывов и энергосборником для зарядки струй. Гибкие IC управления мощностью (PMIC), которые являются сгибаемыми, разрабатываются исследовательскими группами в KAUST и Purdue. Они могут максимизировать энергоэффективность по всей системе.

Интегрированный дизайн

Машинное обучение используется для оптимизации электродных микроструктур и прогнозирования режимов отказа. Обучая модели на тысячах моделируемых циклов растяжения, исследователи могут проектировать архитектуры батарей, которые минимизируют концентрацию напряжения. Этот подход может ускорить разработку действительно гибких источников питания промышленного класса.

Заключение

Достижения в гибких и растягиваемых источниках энергии фундаментально меняют ландшафт носимой электроники. От тонкопленочных литий-полимерных батарей, которые изгибаются вокруг запястья, до трибоэлектрических тканей, которые собирают энергию от ходьбы, портфель опций продолжает расширяться. Инновации в материалах - особенно в проводящих полимерах, жидких металлах и 2D-наноматериалах - в сочетании с масштабируемыми производственными методами, такими как печать и лазерная обработка, приближают эти технологии к рынку. В то время как такие проблемы, как плотность энергии, стабильность цикла и интеграция, остаются, продолжающиеся исследования в самоисцеляющихся, биоразлагаемых и гибридных системах обещают преодолеть эти барьеры. В течение следующего десятилетия мы можем ожидать носимые устройства, которые не только удобны и долговечны, но и независимо питаются от собственного движения и тепла тела - делая мечту о действительно ненавязчивом мониторинге здоровья и повсеместных вычислениях реальностью.

Далее читать: Обзор гибких устройств хранения энергии в Природа Растягиваемые батареи для носимых устройств в Энергия и усилители; Экологическая наука ]Мксеновые суперконденсаторы в Тенденции в химии Самоисцеляющаяся литий-ионная батарея в Научные достижения .